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双功能石墨烯基电催化剂研究取得新进展

氢气作为新型能源受到越来越多的关注,由于氢气具有清洁、可再生的特点,为取代传统化石能源提供了可能性。21世纪,中国、美国、日本、加拿大、欧盟和澳大利亚等都制定了氢能发展规划,并且已在该领域取得了多方面的进展。在不久的将来,氢能技术和应用有望成为现实,氢燃料电池和氢能汽车产业化及市场化可认为是能源发展的最重要标志。

图1. 氢能源循环示意图


从可再生资源廉价制备氢气是当前的挑战之一。电催化分解水制取氧气与氢气有着环保与高效的优点,是未来氢气制备方法的重要选择之一。传统电解水制氢(HER)的催化剂为贵金属,例如铂的成本高且资源缺乏限制了它的大规模应用。同样,传统电解水制氧(OER)的催化剂为贵金属化合物,稳定性差、运行成本高。HER与OER作为水分解的两个半反应,在实际应用中的二电极体系里同时发生进行,如果只利用一个半反应,那么势必造成能源的浪费。然而不管是贵金属还是金属化合物,目前均不能同时具备HER与OER的催化能力,寻找一种同时具备HER与OER催化性能的催化剂具有重要意义。

图2. HER与OER双功能电催化剂概念图


格里菲斯大学姚向东教授团队报道了关于缺陷石墨烯作为三功能电催化剂的工作(点击阅读详细Adv. Mater., 2016, 28, 9532-9538)。近年来,该团队利用缺陷石墨烯和单层镍铁双金属氢氧化物(NiFe-LDH-NS)复合制备高效的OER和HER双功能电催化剂。OER的性能大幅度提高,10 mA/cm2电流密度时的过电势仅为210 mV,远高于标准催化剂Ir/C。同时,HER的性能较未与缺陷石墨烯复合前的NiFe-LDH-NS也有显著的提高(尤其在2 mg催化剂的负载量下,20 mA/cm2电流密度时的过电势仅为115 mV)。作者通过密度泛函理论(DFT)计算发现当把缺陷石墨烯与NiFe-LDH-NS复合后,电荷会重新分布在两个组分上。电子从NiFe-LDH-NS向缺陷石墨烯转移,而空穴从缺陷石墨烯向NiFe-LDH-NS移动。电子聚集在缺陷石墨烯上可以进一步增强其HER催化能力,同时空穴的富集也会提高NiFe-LDH的OER催化能力。

图3. (a)三种碳缺陷与NiFe-LDH-NS复合模型;(b)三种模型对应电荷分布的侧视图;(c)HER与OER在催化剂上同时发生反应的机理示意图


性能测试表明这种复合催化剂HER的性能超过了缺陷石墨烯,同时OER性能超过了NiFe-LDH,进一步证明了该催化剂不是缺陷石墨烯与NiFe-LDH的简单物理混合。催化剂表面电荷的重新分布将HER与OER反应的活性位点分隔开来,进一步促进了材料的催化能力。稳定性测试表明这种复合催化剂在碱性条件下有着优良的稳定性。同时,实验表明普通石墨烯以及掺氮石墨烯在与NiFe-LDH复合后,均不能引起大幅度电荷重新分布,对催化性能的提升作用有限。全电池电解水实验表明,达到20 mA/cm2电流密度时的电压仅为1.5 V,创造了目前双功能催化剂在全电池电解水应用中的新纪录。该团队还进一步搭建了一套简易光伏电解水装置模型,仅用一块1.5 V的太阳能电池板就可以高效驱动水分解反应(图4e),节省了外界能量的输入需求。这项应用在偏远地区的分布式供能系统中有着巨大的潜在商业价值。

图4. (a) OER的LSV曲线,图为电流密度为10 mA/cm2时过电位的比较;(b) OER的恒压稳定性测试;(c) HER的LSV曲线;(d) HER的稳定性测试,8000圈循环后与初始曲线的比较,图为恒流稳定性测试;(e) 1.5 V光伏电催化水分解系统;(f) (g) 复合催化剂透射电镜照片;(h) 复合催化剂的元素分析


这一成果近期发表在Advanced Materials上,文章的共同第一作者是格里菲斯大学博士后研究员贾毅和博士生张龙舟


该论文作者为:Yi Jia, Longzhou Zhang, Guoping Gao, Hua Chen, Bei Wang, Jizhi Zhou, Mun Teng Soo, Min Hong, Xuecheng Yan, Guangren Qian, Jin Zou, Aijun Du, Xiangdong Yao

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

A Heterostructure Coupling of Exfoliated Ni–Fe Hydroxide Nanosheet and Defective Graphene as a Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting

Adv. Mater., 2017, 29, 1700017, DOI: 10.1002/adma.201700017


姚向东教授简介


姚向东教授是澳大利亚格里菲斯大学昆士兰微纳米技术中心的终身教授,1989年获得东北大学材料科学与工程学士学位,1992年获得西北工业大学材料科学与工程硕士学位,2005年获得澳大利亚昆士兰大学材料工程博士学位,在从事纳米轻金属材料在清洁与可持续能源方面作出了重要贡献,在Nat. Commun.JACS、Adv. Mater.Adv. Funct. Mater.Adv. Energy Mater.Angew. Chem. Int. Ed. 等高档次期刊发表论文多达160余篇;2005年以来,受邀在国际/国内学术会议上做报告多达50余次,在国际知名的研究机构做报告30余次。2005年以来,已获得20多项共计700余万美元的经费资助(包括十项ARC资助)。该团队目前主要在清洁能源(太阳能、氢能等)转化与储存领域开展研究,同时也开展了新一代燃料电池设备的设计与产业化应用。


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